一种具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其制备方法和应用
【技术领域】
本发明涉及医药生物技术领域，具体地说，是关于一种具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
随着社会的发展，由交通事故和创伤造成的合并大段骨缺损的开放性骨折越来越多。如何处理这些存在污染、甚至就诊时就已经感染的骨缺损和骨折，一直是骨科医生面临的棘手问题。传统多采用一期清创，全身抗感染治疗，待明确感染被控制后再二期植骨修复骨缺损和骨折内固定。这样治疗周期长，期间静脉抗生素的应用会出现如菌群失调等并发症，长期卧床也会造成“骨折病”等新问题，植骨时来源有限的自体骨常不能满足填充大段骨缺损的要求，这些都给患者带来了新的创伤，给社会带来巨大的经济负担。所以如何将二期修复变为一期修复，来源充足、同时兼顾骨修复和抗感染的骨移植材料是解决问题的关键。
目前，对于骨修复，自体骨的修复效果最佳是评价其它骨修复材料的金标准，但其来源有限和供区创伤的缺点难以克服。而同种异体骨则有排异反应和传播疾病的潜在危险，另外来源的个体差异使产品质量很难控制，而且伦理学的问题使得材料来源越来越紧缺，制约了临床应用。而可人工合成的钙磷多孔生物陶瓷因其良好的组织相容性、可降解性，被作为骨修复材料广泛使用。其中多孔β-TCP还做为复合各种生物活性蛋白或药物的载体。骨形态发生蛋白(BMP-2)被公认具有骨诱导作用，但BMP-2在缺乏载体的情况下局部发挥作用比较短暂，因此有学者应用β-TCP陶瓷复合BMP-2，使骨折治疗部位有持久释放足量的BMP-2，达到骨修复作用。复合过程既可以用低温冻干，也可以在β-TCP制备前使用液相浸润技术，两者都不会影响到BMP的活性。动物实验显示复合(0.25～200μg)BMP-2的β-TCP(孔径为300-900μm，孔隙率40～60％)植入骨缺损区可以有效的促进局部血管形成和骨小梁的形成，在28天板层骨及骨髓形成时，β-TCP出现降解，新骨骨小梁的形成速度和强度要优于自体骨移植。对于骨感染的治疗，局部使用抗生素与全身用药相比，有着局部药物浓度高、全身药物毒性小等优势，所以复合抗生素的多孔β-TCP局部植入也被探索用于治疗骨感染。研究发现复合庆大霉素的β-TCP(孔径为1-2μm，孔隙率70％)植入骨感染部位，局部有效药物浓度可持续4周。如果同时将抗生素(庆大霉素)和生物活性蛋白BMP-2复合在多孔β-TCP内则可以使其同时发挥骨诱导和抗感染作用，但目前国内外尚无研究。
研究还发现多孔β-TCP的微结构(孔径、孔内连接和孔隙率)是影响药物或活性物质复合、缓释效应的重要因素之一，而多孔β-TCP复合抗生素(庆大霉素)和复合生物活性蛋白BMP-2达到最佳缓释效能所需的材料参数不同，所以如果使同一结构的多孔β-TCP同时具备两种材料参数则可以同时复合小分子药物和大分子生物活性蛋白。功能梯度材料(Functional gradient materials，FGMs)是近年材料科学领域的研究热点之一，FGMs是指材料的组分或结构呈有规律的梯度空间变化，从而其性能也呈空间变化以满足特定要求，当梯度变量是材料中的微孔时，则可以得到梯度多孔材料，即材料的不同空间结构内的孔径、孔隙率不同，其理化性能等也发生变化。目前利用快速成形技术(Rapid Prototyping，RP)可以获得这样的三维空间结构，RP不仅可以较好地制备出人工骨内部的三维孔隙结构，还可以按计算机辅助设计系统(Computer assistant design，CAD)设计要求精确的控制微孔的空间分布。对于利用梯度多孔β-TCP复合抗生素、BMP-2构建抗感染活性人工骨，并用来修复感染性骨缺损这一假设，目前尚无文献报道。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料。
本发明的再一的目的是，提供具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料的制备方法。
本发明的另一的目的是，提供具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料的用途。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料，所述的骨移植材料由抗感染药物，BMP-2和β-TCP组成。
所述的抗感染药物是庆大霉素。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
一种制备具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料的方法，包括以下步骤：
(a)，构建梯度多孔β-TCP；
(b)，梯度多孔β-TCP复合抗感染药物、BMP-2。
所述的抗感染药物是庆大霉素。
为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是：
骨移植材料在制备治疗开放性或感染的大段骨缺损的骨折、骨结核或骨肿瘤药物中的应用。
本发明优点在于：
1、建立具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔生物陶瓷的制作工艺，使其达到不同结构制作在同一陶瓷内。
2、BMP-2和抗菌素相距复合在同一材料之中。既要保证材料的理化性能不受影响，又要达到保证两种活性物质同时存在，而且有良好的成骨活性蛋白和药物缓释作用。
3、通过体外实验观察该材料的理化性能及药物动力学，优选出具有良好的理化性能和缓释功能的材料结构
4、通过在体实验(感染性骨缺损动物模型)评价该材料的抗感染和骨诱导活性，优选出适合临床应用的材料结构及复合方法，为临床应用奠定基础。
【附图说明】
图1A、感染性骨缺损动物模型制作。
图1B、复合抗生素、BMP-2的梯度多孔β-TCP。
图1C、骨缺损模型植入块型抗感染重组异体骨。
图1D、植入块型抗感染重组异体骨并行外固定术后。
图1E、术后和术后2、4、6、8周手术部位的X片。
图1F、术后2周骨缺损处病理(H.E.染色)。
图1G、术后4周骨缺损处病理(H.E.染色)。
图2A、梯度多孔β-TCP的骨移植载体结构示意图。
图2B、梯度多孔β-TCP的骨移植载体截面示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
1.设计、构建梯度多孔β-TCP
设计同一圆柱形β-TCP内不同孔径(微孔径，＜10μm，孔隙率10％；大孔径，＞100μm，孔隙率60％)和不同空间分布(1.微孔径髓芯柱状区域分布，大孔径外周柱状区域分布；2.相反分布；3.微孔、大孔径相间分布)的梯度多孔β-TCP的内外部结构，利用CAD的Unigraphics软件将其数据转化为STL格式文件并输入激光快速成型机(上海交通大学机械与动力工程学院提供)，制造梯度多孔β-TCP树脂模具。将β-TCP粉末制备成浆体填充入模具，使用热压铸成型技术制备出梯度多孔β-TCP，实体显微镜下观测其内部结构，将测量数据与CAD模型设计数据对比，计算成型精度。
2.梯度多孔β-TCP复合抗生素、BMP-2
分别利用液体浸润法、冷冻干燥法将前述制备的β-TCP骨移植材料复合BMP-2、庆大霉素(冷冻干燥机由上海理工大学提供)。
3.体内、外实验观察不同结构的梯度多孔β-TCP的缓释效能、理化性能
体外实验(抑菌环实验)观察功能梯度抗感染活性人工骨的药物缓释能力。
体外实验(细胞培养)观察功能梯度抗感染活性人工骨的BMP-2缓释能力。
体内实验观察(肌袋植入实验)功能梯度抗感染活性人工骨的药物、BMP-2缓释能力。
4.体内实验观察复合抗生素、BMP-2的梯度多孔β-TCP修复感染性骨缺损的效能
制作感染性骨缺损动物模型见图1A-G(新西兰大白兔)，通过影像学检查、大体观察、电镜观察、免疫组化、蛋白印迹、PCR等方法观察复合抗生素、BMP-2的梯度多孔β-TCP的生物相容性、材料降解特性和抗感染、骨修复作用。
实施例2
请参看图2A，图2A是梯度多孔β-TCP的骨移植载体结构示意图，所述的骨移植载体包括中央部1和外周部2，中央部1为髓芯柱状结构，外周部2呈圆柱状结构。所述的骨移植载体的中央部1长为20mm，长径为2mm，外周部2长为20mm，长径为10mm。请参看图2B，图2B是梯度多孔β-TCP的骨移植载体的截面示意图，所述的中央部1设有小微孔11，小微孔的孔长径6μm，小微孔的孔隙率10％(小微孔的孔隙率：小微孔体积占骨移植载体体积的百分比)。外周部2设有大微孔21，大微孔的孔长径150μm，大微孔的孔隙率为60％(大微孔的孔隙率：大微孔体积占骨移植载体体积的百分比)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。